¬олоконно ќптические линии св€зи

ћинистерство ѕутей —ообщени€
ћосковский √осударственный ”ниверситет
ѕутей —ообщени€
(ћ»»“)
–≈‘≈–ј“
¬олоконно ќптические
Ћинии —в€зи
ѕреподаватель: Ќикитенко ¬. ј.
—тудент: ƒолгачев ». Ќ.
√руппа: Ё¬ћ-111
ћосква 1996 г.
—ќƒ≈–∆јЌ»≈
√лава перва€
—¬≈“ ѕ≈–≈Ќќ—»“ »Ќ‘ќ–ћј÷»ё
√лава втора€
ќт спектра к когерентности
2.1 „“ќ “ј ќ≈ —¬≈“?
2.2 ÷¬≈“, ƒЋ»ЌЌј ¬ќЋЌџ, „ј—“ќ“ј Ч “–» ’ј–ј “≈–Ќџ’ ѕј–јћ≈“–ј —¬≈“ј
2.3 —ѕ≈ “–џ »—“ќ„Ќ» ќ¬ —¬≈“ј
2.4 ≈—“≈—“¬≈ЌЌџ… —¬≈“ ¬ ќѕџ“ј’ ѕќ »Ќ“≈–‘≈–≈Ќ÷»»
√лава треть€
“≈’Ќ» ј ќѕ≈–≈∆ј≈“ ѕ–»–ќƒ”
3.1  ј  ќЅ–ј«”≈“—я Ќ≈ ќ√≈–≈Ќ“Ќџ… —¬≈“
3.2 Ћј«≈–  ј  »—“ќ„Ќ»  —¬≈“ќ¬ќ√ќ »«Ћ”„≈Ќ»я
3.3 ¬џ—ќ јя —“≈ѕ≈Ќ№  ќ√≈–≈Ќ“Ќќ—“» “–≈Ѕ”≈“ «ј“–ј“
3.4 ѕќЋ”ѕ–ќ¬ќƒЌ» ќ¬џ… Ћј«≈–, ѕ–≈ƒЌј«Ќј„≈ЌЌџ… ƒЋя ћ» –ќЁЋ≈ “–ќЌ» »
√лава четверта€
”“ќѕ»я » –≈јЋ№Ќќ—“№
4.1 ‘јЌ“ј—“»„≈— »≈ ¬ќ«ћќ∆Ќќ—“»
4.2 ћќƒ”Ћя÷»я »Ќ“≈Ќ—»¬Ќќ—“» »«Ћ”„≈Ќ»я
4.3  ј  ѕ≈–≈ƒјё“ —¬≈“?
4.4 –ј—ѕ–ќ—“–јЌ≈Ќ»≈ —¬≈“ј ѕ–» ѕќЋЌќћ ќ“–ј∆≈Ќ»»
√лава п€та€
—¬≈“ќ¬ќƒ Ч ѕќ—–≈ƒЌ»  ћ≈∆ƒ” ѕ≈–≈ƒј“„» ќћ » ѕ–»≈ћЌ» ќћ
5.1 ќ—ЋјЅЋ≈Ќ»≈ ќ«Ќј„ј≈“ ѕќ“≈–ё —¬≈“ќ¬ќ… ЁЌ≈–√»»
5.2 –ј«Ќ»÷ј ¬ќ ¬–≈ћ≈Ќ» ѕ–ќЅ≈√ј ќ√–јЌ»„»¬ј≈“
ѕ–ќѕ”— Ќ”ё —ѕќ—ќЅЌќ—“№ Ћ»Ќ»» —¬я«»
5.3 ѕ–ќѕ”— Ќјя —ѕќ—ќЅЌќ—“№ ¬ќЋќ ќЌЌџ’ —¬≈“ќ¬ќƒќ¬
5.4 ќѕ“»„≈— »≈  јЅ≈Ћ», »’  ќЌ—“–” ÷»» » —¬ќ…—“¬ј
√лава шеста€
»—“ќ„Ќ» » —¬≈“ј Ч —¬≈“ќ»«Ћ”„јёў»… ƒ»ќƒ » Ћј«≈–
6.1 „“ќ ќ«Ќј„ј≈“ »ћѕ”Ћ№—Ќџ… –≈∆»ћ?
6.2 “»ѕ »—“ќ„Ќ» ј ќѕ–≈ƒ≈Ћя≈“ ћќўЌќ—“№
6.3 ѕ–ќЅЋ≈ћј ¬џ¬ќƒј —¬≈“ќ¬ќ… ЁЌ≈–√»»
6.4 —–ќ  —Ћ”∆Ѕџ »—“ќ„Ќ» ќ¬ —¬≈“ј
6.5 Ћј«≈– »Ћ» —¬≈“ќ»«Ћ”„јёў»… ƒ»ќƒ?
√лава седьма€
—¬≈“ќ¬ќ… —»√ЌјЋ Ќј ѕ–»≈ћЌќћ  ќЌ÷≈ Ћ»Ќ»»
7.1 Ќ≈ќЅ’ќƒ»ћќ—“№ ѕ–≈ќЅ–ј«ќ¬јЌ»я —¬≈“ј ¬ ЁЋ≈ “–»„≈— »… “ќ 
7.2 ‘ќ“ќƒ»ќƒџ »—ѕќЋ№«”ё“ ¬Ќ”“–≈ЌЌ»… ‘ќ“ќЁ‘‘≈ “
7.3 Ў”ћ Ч —»Ћ№Ќ≈…Ў»… ¬–ј√ “≈’Ќ» » —¬я«»
7.4  ј ќ… ƒЋ»Ќџ ћќ∆≈“ Ѕџ“№ ќѕ“»„≈— јя Ћ»Ќ»я ѕ≈–≈ƒј„»?
√лава восьма€
ћЌќ√ќ÷≈Ћ≈¬јя јЅќЌ≈Ќ“— јя —≈“№
√лава перва€
—¬≈“ ѕ≈–≈Ќќ—»“ »Ќ‘ќ–ћј÷»ё
” человека имеетс€ п€ть органов чувств, но один из них особенно важен Ч это
зрение. √лазами человек воспринимает большую часть информации об окружающем его
мире в 100 раз больше, чем посредством слуха, не говор€ уже об ос€зании, обон€нии и
вкусе.
ƒалее человек заметил "посторонний источник света" Ч солнце. ќн использовал
огонь, а затем различные виды искусственных световых источников дл€ подачи сигналов.
“еперь в руках человека был как световой источник, так и процесс модул€ции света. ќн
фактически построил то, что сегодн€ мы называем оптической линией св€зи или
оптической системой св€зи, включающей передатчик (источник), модул€тор, оптическую
кабельную линию и приемник (глаз). ќпределив в качестве модул€ции преобразование
механического сигнала в оптический, например открытие и закрытие источника света,
мы можем наблюдать в приемнике обратный процесс Ч демодул€цию: преобразование
оптического сигнала в сигнал другого рода дл€ дальнейшей обработки в приемнике.
“ака€ обработка может представл€ть собой, например, превращение светового
образа в глазу в последовательность электрических импульсов нервной системы
человека. √оловной мозг включаетс€ в процесс обработки как последнее звено цепи.
ƒругим, очень важным параметром, используемым при передаче сообщений,
€вл€етс€ скорость модул€ции. √лаз в этом отношении имеет ограничени€. ќн хорошо
приспособлен к воспри€тию и анализу сложных картин окружающего мира, но не может
следить за простыми колебани€ми €ркости, когда они следуют быстрее 16 раз в секунду.
»спользуют в качестве световых приемников технические устройства Ч фото-
элементы или фотодиоды.
1 4
2 3
ѕростое световое переговорное устройство:
1Цмикрофон; 2,3Цусилители; 4Цтелефон
√лава втора€
ќт спектра к когерентности
2.1 „“ќ “ј ќ≈ —¬≈“?
—егодн€ знание природы света углубилось незначительно. ‘изики сошлись лишь
во мнении о том, что свет объедин€ет в себе оба свойства: корпускул€рную природу и
типичные свойства волнового процесса, которые представл€ют внешние признаки одной
и той же физической реальности.
2.2 ÷¬≈“, ƒЋ»ЌЌј ¬ќЋЌџ, „ј—“ќ“ј Ч “–» ’ј–ј “≈–Ќџ’ ѕј–јћ≈“–ј —¬≈“ј
¬ажным параметром света €вл€етс€ его длина волны. ѕод этим подразумеваетс€
рассто€ние между двум€ положительными или отрицательными максимумами
последовательности колебаний.
ƒлина волны колебательного процесса непосредственно св€зана с его частотой.
или
где Ц длина волны; Ц частота, 1 или герц (сокращенно √ц).
2.3 —ѕ≈ “–џ »—“ќ„Ќ» ќ¬ —¬≈“ј
„тобы пон€ть различи€ источников света, которые примен€ютс€ в качестве
передатчиков в устройствах оптической техники св€зи, остановимс€ прежде всего на
свойствах обычных источников света.
¬ обычной лампе накаливани€ не одна, а огромное количество различных длин
волн, причем можно указать приближенно лишь крайние значени€ области длин волн.
¬нутри этой области лежит основна€ дол€ энергии излучени€. ƒлины волн за пределами
этой области изучаютс€ слабо, т.е. €вл€ютс€ длинами волн с малыми составл€ющими
мощности. ¬нутри области излучени€ (котора€ в лампе накаливани€ простираетс€
приблизительно от видимой желтой области да невидимой инфракрасной) отдельные
длины волн расположены так, что они не различаютс€ измерительными приборами. ¬
этом случае говор€т о непрерывном спектре излучаемого света.  оторый, в свою очередь
может стать спектром поглощени€, если вырезать участки длин волн из непрерывного
спектра излучени€.
2.4 ≈—“≈—“¬≈ЌЌџ… —¬≈“ ¬ ќѕџ“ј’ ѕќ »Ќ“≈–‘≈–≈Ќ÷»»
ƒл€ всех волновых процессов наиболее значительно и характерно €вление ин-
терференции.  огда накладываютс€ два волновых фронта с одинаковой фазой, это
означает, что максимумы колебаний обоих процессов точно совпадают и оба процесса
складываютс€ и усиливаютс€. ќднако если между обоими процессами имеетс€ разность
фаз или различие по рассто€нию точно на половину длинны волны, т. е. совпадает
максимум одного колебани€ с минимумом другого и оба имеют одинаковую мощность,
то процессы гас€т друг друга.
—войство естественных источников света, которые никогда между собой не
интерферируют, так как их фазовые состо€ни€ посто€нно претерпевают случайные и
быстрые колебани€, называетс€ некогерентностью. ’от€ световые лучи, как и ра-
диоволны радиопередатчика, €вл€ютс€ электромагнитными колебани€ми, только с
гораздо меньшей длиной волны и соответственно более высокой частотой, они отли-
чаютс€ от радиоволн именно свойством некогерентности.
–адиопередатчики генерируют когерентное излучение. ѕоложение фазы их
колебаний в течение длительного времени настолько посто€нно, что приемные уст-
ройства используют это свойство и извлекают из него пользу. Ѕез свойства когерент-
ности не могли бы функционировать мощные электрические системы св€зи.
√лава треть€
“≈’Ќ» ј ќѕ≈–≈∆ј≈“ ѕ–»–ќƒ”
3.1  ј  ќЅ–ј«”≈“—я Ќ≈ ќ√≈–≈Ќ“Ќџ… —¬≈“
ќдиночные атомы излучают световые импульсы спонтанно и несинхронно, т. е.
независимо друг от друга и поэтому в целом некогерентно.
ќбратимс€ к атомной модели Ѕора, проложившей новые пути в развитии физики и
побудившей ученых к новым исследовани€м природы светового излучени€. »сходным
пунктом дл€ этого был спектральный анализ газов. ¬ газовой трубке с двум€ впа€нными
на концах электродами наблюдалось свечение, когда к этим электродам прикладывалось
напр€жение. Ќа экране анализатора спектра наблюдалось множество дискретных линий
на определенных рассто€ни€х, т. е. при определенных длинах волн. –асположение этих
линий зависело от состава газа, которым была наполнена трубка.
Ўвейцарский математик Ѕальмер в 1885 г. обнаружил, что частоты измеренных
спектральных линий описываютс€ следующим простым уравнением:
где n, m Ц целые числа; R Ц константа, не завис€ща€ от состава газа, √ц
—пуст€ 26 лет после открыти€ Ѕальмера Ќильс Ѕор установил фундаментальную
теоретическую св€зь между формулой Ѕальмера и элементарным квантом излучени€.
 оличественное значение кванта излучени€ было найдено ћаксом
ѕланком в 1900 г.  вант представл€ет собой величину, котора€ интерпретирует энергию
светового излучени€ как целое кратное определенным минимально возможным порци€м
энергии hf, где f Ц частота энергии излучени€. »з ранее приведенных рассуждений
вытекает знаменита€ атомна€ модель Ѕора. ¬округ т€желого положительного €дра на
определенных орбитах вращаютс€ легкие, отрицательно зар€женные элементарные
частицы Ц электроны. ” водорода Ц элемента с наиболее простым строением атома Ц
имеетс€ только один электрон, который нормально вращаетс€ на ближайшей к €дру
орбите.
≈сли к атому водорода подвести внешнюю энергию, то электрон может быть
подн€т на следующую, более высокую орбиту. –адиусы орбит относ€тс€ согласно Ѕору
как квадраты целых чисел, т. е. как 1: 4: 8 и т. д. ѕри этом дл€ каждого скачка между
двум€ орбитами требуетс€ энерги€, точно соответствующа€ кванту ѕланка, тогда
начальна€ орбита Ѕора остаетс€ без электрона. ќднако эти более удаленные от €дра
орбиты не €вл€ютс€ дл€ электрона стабильными. ќн может пребывать там короткое
врем€ и затем возвращаетс€ на первоначальную орбиту Ц пр€мо или "по ступенькам". »
подобно тому как электрон забирает энергию, чтобы попасть на более высокую орбиту,
он отдает энергию при возвращении на стабильную орбиту, при этом только
целочисленными порци€ми, которые зафиксированы стабильными орбитами (которые
соответствуют определенным энергетическим уровн€м) в модели атома. ќсвободивша€с€
энерги€ согласно уравнению ѕланка про€вл€етс€ как излучение определенных частот.
3.2 Ћј«≈–  ј  »—“ќ„Ќ»  —¬≈“ќ¬ќ√ќ »«Ћ”„≈Ќ»я
ћолекулам и атомным комплексам (кристаллам) присущи принципиально не-
изменные свойства, но не столь простые, как это представлено в примере с одиночным
атомом водорода. ѕрежде всего различи€ про€вл€ютс€ во вли€нии соседних атомов.
ѕоэтому дискретные энергетические состо€ни€, которые следуют из наличи€
вышеописанных электронных орбит, как правило, размываютс€. ¬ св€зи с этим по-
€вл€ютс€ определенные энергетические области (энергетические зоны). »меет также
существенное значение, что отдельные единичные переходы (с одного энергетического
уровн€ на другой) более или менее "запрещены", т. е. они не должны иметь места (эти
запреты надо понимать не совсем буквально).
¬ качестве примера можно было бы назвать схему энергетических уровней ионов
трехвалентного хрома, которые играют главную роль в одном из первых экспе-
риментальных образцов лазера Ч в рубиновом лазере.
¬ этой св€зи отметим два таких энергетических уровн€ в атоме хрома: основной
уровень и состо€ние . ѕереход с уровн€ на основной , строго говор€,
запрещен, т. е. электрон на уровне мог бы быть устойчивым. ѕрактически, однако,
этого не происходит; наход€щийс€ на уровне электрон может удерживатьс€ в этом
состо€нии приблизительно до 0,01 с. [¬ сравнении с длительност€ми пребывани€ в
других нестабильных состо€ни€х это Ч длительное врем€.] “акое состо€ние
называетс€ метастабильным, и это €вление особенно важно в работе лазера: оно придает
метастабильному состо€нию свойства накопител€ энергии.
≈сли стержневидный рубиновый кристалл с добавлением ионов хрома
облучить интенсивным зеленым светом, то происходит следующее. ѕрежде всего в
результате подведенной световой энергии электроны с основного уровн€ перенос€тс€
в энергетическую зону (не пр€мо, а через неустойчивую энергетическую зону , но
это в данном случае несущественно). јтом за счет этой внешней энергии теперь
возбужден "накачан"), более того, совокупность атомов достигла так называемой
инверсии населенностей (электронами) энергетических зон. Ќижн€€ энергетическа€
зона, обычно сильно населенна€, в данном случае почти пуста, напротив, более высокий
уровень , первоначально не сильно заселенный электронами, теперь значительно ими
зан€т. Ќо это состо€ние атомов, как уже упоминалось, довольно устойчиво. ѕодведенна€
энерги€ накапливаетс€.
— этого состо€ни€ начинаетс€ цепна€ реакци€, подобна€ процессу в генераторе с
обратной св€зью, вызываема€ случайным процессом излучени€ энергии хот€ бы одним из
возбужденных атомов. “акой атом случайно переходит из состо€ни€ в состо€ние и
при этом отдает энергию излучени€ Ч сравнительно короткую последовательность
колебаний, но все же достаточную, чтобы встретить на своем пути через стержневидный
кристалл второй возбужденный атом. „астота этого колебани€ определ€етс€ по закону
ѕланка разностью энергий и и соответствует длине волны приблизительно 694 нм
или красному световому импульсу, наход€щемус€ в видимой области спектра.
Ётот процесс называетс€ индуцированным или стимулированным излучением.
»ндуцированное колебание согласуетс€ по частом и фазе с индуцирующим колебанием
таким образом, что с полным основанием можно говорить об "усилении света
индуцированной эмиссией излучени€". ќтсюда произошло слово LASER: light
amplification by stimulated emission of radiation.
≈сли в установившемс€ режиме энерги€ излучени€ при прохождении сигнала
через кристалл больше потерь на поглощение энергии, то получаетс€ эффект само-
возбуждени€ такой же, как в генераторе с обратной св€зью. ≈диничное спонтанное
излучение св€зано с продолжительными непрерывными световыми колебани€ми в теле
кристалла (поскольку в кристалле посто€нно имеетс€ достаточное количество
возбужденных атомов). ≈сли нанести на одну из торцевых поверхностей стержн€ по-
лупрозрачный зеркальный слой, то часть энергии излучени€ покинет кристаллический
стержень в виде когерентного светового излучени€.
¬ первые годы твердотельные лазеры примен€лись главным образом в импульсном
режиме. ¬ качестве источников света примен€лись лампы-вспышки, которые
периодически возбуждали кристалл сверхмощными некогерентными световыми
импульсами и вызывали излучение коротких когерентных световых импульсов. ¬
качестве примера, разработанного в то врем€ лазера непрерывного излучени€ можно
назвать лазер на неодимовом гранате (Nd-YAG), €дро которого представл€ет собой
иттриево-аллюминиевый гранат с примесью неодима. ќсновные линии
энергии накачки лежат здесь в области длин волн 750 Ч 810 нм, основной лазерный
переход Ч на 1064 нм. (¬озбуждаемы также и другие переходы.)
3.3 ¬џ—ќ јя —“≈ѕ≈Ќ№  ќ√≈–≈Ќ“Ќќ—“» “–≈Ѕ”≈“ «ј“–ј“
ќписанный неодимо-иттриево-алюминиевый гранат €вл€етс€ одним из многих
возможных материалов, примен€емых в лазерах. ѕриемлемы также многие другие
материалы; требуетс€ лишь, чтобы они принципиально могли излучать свет
(флюоресцировать) и обладали метастабильным состо€нием с возможно более высокой
устойчивостью или временем жизни. ¬озбуждение этого состо€ни€ должно осу-
ществл€тьс€ с высоким  ѕƒ (что обусловливает относительно малую мощность на-
качки), и, наконец, материал должен обладать малыми оптическими потер€ми.
Ќекоторые газы хорошо соответствуют перечисленным услови€м, поэтому можно
построить так называемый газовый лазер. ќдин из наиболее известных газовых лазеров
использует в качестве активного материала смесь из гели€ и неона, где энерги€
возбуждени€ подводитс€ в форме электрического разр€да в газе. ¬ тонкой стекл€нной
трубке длиной от нескольких дес€тков сантиметров до 1 м разр€д зажигаетс€ между
двум€ электродами, впа€нными в корпус трубки. ѕри этом во всем объеме возбужденного
газа внутри трубки возникают электроны, энерги€ которых служит дл€ того, чтобы
прежде всего перевести на более высокий энергетический уровень атомы гели€, которые
в свою очередь в результате аналогичного эффекта возбуждают имеющиес€ в
незначительном количестве атомы неона. Ёти атомы неона создают при описанном
синхронизированном обратном переходе в основное состо€ние индуцированное
излучение.
“ехническим условием нарастани€ данного процесса в свою очередь €вл€етс€
наличие оптического объемного резонатора, такого, какой получалс€ в описанном выше
твердотельном лазере при нанесении плоскопараллельных зеркальных слоев на обе
торцевые поверхности кристалла. ¬ газовом лазере активный элемент конструктивно
отличаетс€ от активного элемента кристаллического лазера. √азоразр€дна€ трубка
сначала закрываетс€ наклеенными стекл€нными концевыми пластинками и затем Ч
оптически точно выверенна€ Ч вноситс€ в объемный резонатор, образованный двум€
внешними зеркалами. ¬ современных небольших газовых лазерах примен€ют также
внутренние зеркала, располагаемые в газоразр€дном пространстве. ѕо крайней мере одно
из зеркал делаетс€ полупрозрачным, так чтобы часть света могла покидать резонатор
(Ђокно Ѕрюстераї).
“ак как длина волны генерируемого лазером света определ€етс€ разностью
энергетических уровней соответствующих активных материалов (и вполне могут су-
ществовать одновременно несколько таких излучающих переходов), возможно излучение
света различных длин волн. “ак, лазер на HeЦNe может принципиально излучать на трех
различных длинах волн. „аще всего он работает на длине волны 0,63 мкм. Ёта длина
волны соответствует красному свету видимого диапазона. Ќар€ду с ним имеютс€
возбужденные, невидимые дл€ нас длины волн 1,15 и 3,39 мкм.  ака€ из трех возможных
волн покинет объем резонатора, определ€ет конструктор лазера нанесением частотносе-
лективной пленки на зеркало.
ѕараметр
√елийЦ
неоновый
лазер (He-Ne)
јргоновый
лазер (Ar)
-лазер
ƒлина волны излучаемого света,
мкм
0,6328
1,15
3,39
0,488
0,515
10,6
9,6
ƒостигаема€ выходна€ мощ-
ность, ¬т
 ѕƒ, %
0,01Ц0,1
0,01Ц0,2
1Ц20
¬ таблице приведены наиболее известные газовые лазеры. Ќеобходимо под-
черкнуть широту области изменени€ их параметров. ќднако все газовые лазеры имеют
существенное преимущество: высокую когерентность излучени€, которому вначале
придавали большое значение, оказалось при близком рассмотрении ненужным. √ораздо
важнее когерентности дл€ световой передачи сообщений оказалась простота
возможности модул€ции света, и как раз здесь у газового лазера оказались слабые
стороны.
ћодул€ци€ газового лазера создаетс€ путем управлени€ интенсивностью газового
разр€да. Ётим достигаетс€ модул€ци€ энергии выход€щего излучени€ лазера. ќднако
скорость модул€ции ограничена инерционностью газового разр€да; наивысша€
достижима€ ширина полосы модул€ции лежит в пределах нескольких тыс€ч герц,
поэтому представл€ет собой малый интерес дл€ техники св€зи.
3.4 ѕќЋ”ѕ–ќ¬ќƒЌ» ќ¬џ… Ћј«≈–, ѕ–≈ƒЌј«Ќј„≈ЌЌџ… ƒЋя ћ» –ќЁЋ≈ “–ќ-
Ќ» »
 роме названных существенными недостатками газового лазера €вл€ютс€ его
размеры, механическа€ непрочность, высокие, требуемые дл€ газового разр€да рабочие
напр€жени€ и, наконец, ограниченный срок службы, обусловленный недолговечностью
газоразр€дной трубки. ¬се эти свойства исключают применение газового лазера в
современной системе св€зи, тем более если учесть прогрессирующее развитие
полупроводниковой техники и особенно микроэлектроники. ќтносительно большие
электронные лампы, которые еще господствовали в технике приборостроени€ 60-х годов,
сегодн€ за редким исключением исчезли и представл€ют только исторический интерес.
ѕолупроводниковый прибор господствует в широкой области электроники, требует
невысоких рабочих напр€жений и меньших (на несколько пор€дков) мощностей.
  этой элементной базе может быть отнесен только один источник света, который
также построен на принципах полупроводниковой техники и изготовл€етс€ по такой же
или аналогичной технологии, Ч полупроводниковый лазер.
ѕолупроводниковый лазер отличаетс€ от газового и твердотельного лазеров
способом возбуждени€. ќн накачиваетс€ не световой энергией, а непосредственно
электрической.   одному из p-n переходов, известных из полупроводниковой техники,
прикладываетс€ напр€жение в направлении проводимости. ќно вызывает ток и путем
нарушени€ равновеси€ носителей зар€дов (электронов и дырок) Ч желаемую инверсию
населенностей энергетических зон в области р-n перехода. “аким образом,
полупроводник накачан, он запас энергию.
≈сли спонтанно и случайно произойдет переход от такого возбужденного со-
сто€ни€ атомов в основное состо€ние (рекомбинаци€ носителей зар€да), то излучаемый
свет будет некогерентен. ≈го мощность тем выше, чем больше прикладываемое
напр€жение, чем больше ток через p-n переход и чем больше число возбужденных атомов.
¬ этом состо€нии такой прибор еще не лазер, а светоизлучаючий диод.
ќднако если повышать далее ток через переход, то при определенном токе при
наличии обратной св€зи будет достигнуто такое усиление, когда будет выполн€тьс€
условие самовозбуждени€, €вл€ющеес€ предпосылкой стабильного излучени€. ѕри этом
так называемом пороговом токе диод начинает генерировать лазерное излучение, это
означает, что выход€щий свет синхронизирован по фазе и когерентен. “еперь с
возрастанием тока его мощность увеличиваетс€ приблизительно пропорционально току.
¬ твердотельном и газовом лазерах необходимо наличие зеркальных поверхностей
дл€ образовани€ оптических резонаторов. ¬ полупроводниковом лазере объем резонатора
много меньше: p-n переход, в области которого образуетс€ индуцированное излучение,
имеет толщину менее 1 мкм и ширину несколько дес€тков микрометров.  репление
зеркал при таких габаритах затруднено, да в этом и нет необходимости, так как очень
высокий коэффициент преломлени€ арсенида галли€ (GaAs), который сегодн€
примен€етс€ в качестве основного материала дл€ светоизлучающих диодов, позвол€ет
реализовать функцию отражени€ в самом кристалле. “ак, если разломить кристалл
полупроводника в определенном направлении, то ровные поверхности излома работают
аналогично отражател€м оптического резонатора.
√лава четверта€
”“ќѕ»я » –≈јЋ№Ќќ—“№
4.1 ‘јЌ“ј—“»„≈— »≈ ¬ќ«ћќ∆Ќќ—“»
 огда к началу 60-х годов по€вились первые пригодные к эксплуатаций лазеры,
стало очевидным, что свет предстал в новом качестве Ч когерентное электромагнитное
колебание на несколько пор€дков раздвинуло границы примен€емого в технике св€зи
диапазона частот. ќптимистические расчеты едва или можно было опровергнуть: длины
волн около 1 мкм соответствуют частоте √ц. ≈сли прин€ты лишь 1% этого
значени€ в качестве ширины полосы сигнала, которыми можно модулировать данное
колебание, то получим значение 3000 √гц. Ёто соответствовало бы приблизительно
миллиарду телефонных разговоров или миллиону телевизионных программ, которые
можно было бы передать одним единственным световым лучом! »звестно, что самый
лучший и самый дорогой коаксиальный кабель с медными проводниками обладает едва
ли одной тыс€чной долей этой пропускной способности и что в будущем крайне
необходимо будет передавать информацию очень большого объема. „исло телефонных
абонентов в мировой телефонной сети посто€нно и неудержимо растет, а растущие
хоз€йственные и промышленные отношени€ между странами и континентами требуют
все больше качественных каналов св€зи.  огда же в сферу рассмотрени€ перспективных
проектов включили возможность использовани€ видеотелефона (а передача одного-
единственного изображени€ требует почти тыс€чекратной пропускной способности по
равнению с телефонным сигналом), то стало необходимым считатьс€ с сильно возросшей
потребностью в каналах передачи информации.
4.2 ћќƒ”Ћя÷»я »Ќ“≈Ќ—»¬Ќќ—“» »«Ћ”„≈Ќ»я
√оризонтально нат€нута€ струна соответствующим возбуждением на одном конце
приводитс€ в колебательное состо€ние. ¬олна распростран€етс€ вдоль струны и может
быть зарегистрирована на другом конце. “ака€ механическа€ волна может быть пон€та
как модель световой волны, котора€ движетс€ от источника света к приемнику.
√оризонтально нат€нута€ струна может быть возбуждена по-разному Ч отклонение
струны может происходить или в вертикальной, или в горизонтальной плоскости.  огда
речь идет о световой волне (или о радиоволне, излучаемой антенной), говор€т в
первом случае о вертикальной, а во втором случае Ц о горизонтальной пол€ризации
волны. ≈сли горизонтальна€ и вертикальна€ компоненты по€вл€ютс€ в определенной
временной последовательности, то это приводит к круговой пол€ризации
электромагнитных колебаний. ƒл€ приемника колебаний на другом конце линии это
тонкое различие в свойствах светового потока не существенно. “ак же как и
человеческий глаз, он не реагирует на плоскость пол€ризации света и регистрирует
только мощность света (в модели Ч степень отклонени€ струны); он не различает
горизонтальную и вертикальную пол€ризацию света. ќднако имеютс€ оптические
элементы, которые реагируют на пол€ризацию света. »х называют пол€ризационными
фильтрами. Ѕудучи поставлены в определенном положении относительно направлени€
распространени€ луча, они станов€тс€ светопроницаемыми дл€ определенного вида
пол€ризации, дл€ света же с направлением пол€ризации, повернутым на , они,
напротив, почти полностью непроницаемы. “олько когда сам фильтр поворачивают на
такой же угол (вокруг оси направлени€ распространени€ света), он пропускает свет
второго вида пол€ризации, прегражда€ при этом путь первому.
Ётот эффект примен€етс€ дл€ модул€ции световых лучей, когда имеетс€ воз-
можность измен€ть плоскость пол€ризации света желаемым образом, в соответствии с
изменением модулирующего (передаваемого) сигнала. ќсуществить такую модул€цию
можно с использованием известного электрооптического эффекта: если послать луч
света через кристалл определенного состава и к нему перпендикул€рно направлению
распространени€ света приложить электрическое поле, то плоскость пол€ризации света
тем больше поворачиваетс€ в зоне действи€ пол€, чем выше его напр€женность, т. е. чем
выше приложенное дл€ создани€ пол€ напр€жение.
ƒл€ этой цели подход€т монокристаллы дигидрофосфат аммони€ и
дигидрофосфат кали€ , коротко они обозначаютс€ как ADP или KDP
кристаллы.
ќписанным эффектом объ€сн€етс€ механизм действи€ электрооптического
модул€тора. —вет, покидающий газовый лазер, попутно может быть пол€ризован
устройством в разр€дной трубке оптического окна, расположенного под углом Ѕрюстера.
ѕол€ризаци€ может быть осуществлена также и с помощью пол€ризационного фильтра.
Ћинейна€ модул€ци€ прежде всего преобразуетс€ в круговую модул€цию с
помощью так называемой четвертьволновой пластинки. ¬ кристалле ADP эта модул€ци€
в зависимости от сигнала становитс€ более или менее эллиптической. Ќа выходе
пол€ризационного фильтра затем получаетс€ свет, модулированный по интенсивности.
≈сли к электродам кристалла не приложено напр€жение, то направление пол€ризации в
кристалле не мен€етс€ и ориентаци€ подключенного пол€ризационного фильтра
соответствует плоскости пол€ризации света, выход€щего из лазера (или после
модул€тора), причем свет проходит через все устройство практически неослабленным.
Ќо если напр€жение на электрооптическом кристалле повышаетс€ и при этом
увеличиваетс€ угол пол€ризации выход€щего света, то через пол€ризационный фильтр
проходит уменьшающа€с€ часть света. ѕри изменении пол€ризации на второй
фильтр полностью поглощает излучение и на выходе устройства образуетс€ темнота.
ѕодобные модул€торы подход€т также дл€ очень быстрых изменений прила-
гаемого модулирующего напр€жени€. ќни преобразуют передаваемый сигнал в полосе
выше 1 √√ц, гораздо большей, чем это было возможно электрическими методами.
ћодул€ци€ интенсивности лазерного излучени€ без модул€ции направлени€
пол€ризации несомненно представл€ла бы собой технически более из€щное решение.
 роме описанного конструктивного принципа (так называемой внешней модул€ции
лазера) можно реализовать другие варианты.  ристалл можно было бы, например
встроить в корпус резонатора газового лазера и обойтись значительно меньшей
мощностью модулирующего сигнала (внутренн€€ модул€ци€). “ем самым устран€лс€ бы
существенный недостаток кристаллических модул€торов, обладавших в целом хорошими
модул€ционными характеристиками: потребность в больших напр€женност€х
управл€ющего пол€ и соответственно высоких управл€ющих напр€жени€х (до нескольких
сотен вольт).
¬ результате развити€ лазерной техники вы€снилось, что дл€ инженера проста€
модулируемость имеет преимущество перед когерентностью. Ќедостатки газового
лазера, включа€ сложную модул€цию его излучени€, уравновесили в системах св€зи
потери в приемнике пр€мого усилени€. ѕоэтому газовый лазер в основном исчез с
рабочих столов инженеров по оптической технике св€зи и освободил место ин-
жекционным лазерам и светоизлучающим диодам, даже с учетом р€да их недостатков,
которые можно было устранить только в процессе последовательной неустанной работы
по их совершенствованию.
4.3  ј  ѕ≈–≈ƒјё“ —¬≈“?
 огда задача быстрой модул€ции излучени€ газового лазера не была еще как
следует решена, все же была €сна ее принципиальна€ возможность. ќднако в 60-е годы
еще нельз€ было твердо сказать о решении важной проблемы Ч проблемы передачи
модулированного света от одного места к другому. “олько в космосе передача
представл€етс€ сравнительно простой, поскольку свет в нем распростран€етс€ без
ослаблени€.  огда удаетс€ очень сильно сфокусировать свет, т. е. получить пучок света
толщиной с иглу (а это возможно дл€ когерентного света), то можно в полном смысле
слова перекрыть астрономические рассто€ни€. (ѕравда, мы не говорим о скрытой
стороне этого положени€. Ќеобходимо послать необычайно узкий световой луч и
достигнуть далеко отсто€щий пункт с максимально возможной световой мощностью,
поэтому требуетс€ очень высока€ стабильность расположени€ передатчика, и положение
приемника должно быть точно известно.)
„то касаетс€ свойств атмосферы как передающего канала дл€ модулированных
световых лучей, то она €вл€етс€, очевидно, ненадежной средой с сильно измен€ющимс€ и
значительным ослаблением.
Ќесмотр€ на эту не совсем ободр€ющую ситуацию приблизительно с 1965 по 1970
г. были испытаны все средства при рассмотрении возможностей техники оптической
св€зи в атмосфере. Ѕыли созданы довольно простые и дешевые размером с портфель
приборы, которые позволили осуществить передачу через атмосферу телевизионного
изображени€.
≈сли сравнить средние значени€ по многим измерени€м, то можно установить:
атмосферна€ оптическа€ св€зь рационально применима только в специальных редких
случа€х и только дл€ очень коротких рассто€ний при весьма незначительных количествах
передаваемой информации. ≈сли речь идет только о единственном телефонном канале,
то можно перекрыть несколько километров с надежностью линии передачи, равной 95
%. (Ќикакое управление св€зи и никакие телефонные абоненты не смирились бы с этим!)
ѕриблизительно в 5% времени така€ лини€ св€зи прерываетс€ из-за погоды. ¬ысока€
надежность оптической св€зи в атмосфере может быть достигнута только в результате
сильного уменьшени€ длины участка.
—ледующей была мысль о вакуумированной или наполненной инертным газом
трубе, которую хотели пр€молинейно проложить на большие рассто€ни€ и в которой луч
света должен был распростран€тьс€, не ослабл€€сь в газах и из-за твердых частиц.
ќптимисты говорили даже о Ђсовместном использовании прот€женных газопроводовї.
Ёта иде€ также не смогла выдержать сурового испытани€. —трого пр€молинейна€
прокладка была утопией.
ƒальнейшее усовершенствование привело к так называемым линзовым свето-
водам. ≈сли в трубе на рассто€нии приблизительно 100 м применить стекл€нные линзы
диаметром около 10 см с определенным показателем преломлени€, то можно доказать,
что световой луч, вход€щий в трубу даже при не строго параллельном относительно оси
пробеге, посто€нно будет возвращатьс€ к середине трубы (к оптической оси) и не
покинет систему линз. — помощью такой конструкции можно также добитьс€
искривлени€ хода луча. Ётот проект был исследован и экспериментально испытан. Ќо
оказалс€ довольно сложным т. к. даже сложных устройств, которые автоматически
управл€ли положением отдельных линз, оказалось недостаточно, чтобы компенсировать
отклонени€ луча, вызванные температурными колебани€ми и движением земной коры.
¬арианты этой идеи исследовались долгие годы. Ћаборатории фирмы Bell в —Ўј
заменили механически регулируемые стекл€нные линзы газовыми линзами. Ёто короткие
отрезки газонаполненной трубки с внешним электрическим нагревом, в которых за счет
перестраиваемых радиальных температурных градиентов можно было достигнуть
требуемой фокусировки луча по центру трубы. Ќо эти работы также не привели к успеху.
4.4 –ј—ѕ–ќ—“–јЌ≈Ќ»≈ —¬≈“ј ѕ–» ѕќЋЌќћ ќ“–ј∆≈Ќ»»
¬се вышеперечисленные этапы развити€ были пройдены, хот€ простой способ
передачи света был давно известен: передача луча по обыкновенному стекл€нному
стержню, который окружен средой с малым показателем преломлени€ (например,
воздухом). —ветовые лучи, проход€щие внутри стекл€нного стержн€ под небольшим
углом к его оси, покидают его; они полностью отражаютс€ от стенок стержн€ и зиг-
загообразно (или винтообразно) распростран€ютс€ вдоль него, пока, наконец, не выйдут
на конце даже в том случае, когда стекл€нный стержень не пр€молинеен, а изогнут.
Ёто €вление было использовано дл€ того, чтобы подвести через многократно
изогнутый стекл€нный или пластмассовый стержень свет лампы накаливани€ внутрь
оптических приборов, в труднодоступные места с целью освещени€ или индикации.
»нтересный вариант применени€ имеетс€ в медицине: светопровод€щий воло-
конный жгут, состо€щий из множества волос€ных световодов, благодар€ чему достигнута
така€ гибкость, при которой жгут может быть введен в полости человеческого тела.
”далось даже изготовить так называемые упор€доченные жгуты: каждое отдельное
светопровод€щее волокно на конце жгута находилось точно на том же месте поперечного
сечени€, как и на противоположном конце жгута. Ёти упор€доченные жгуты делают
возможным передачу изображени€ при условии его освещени€.
—ветоводное волокно существовало уже в начале 60-х годов, упор€доченные и
неупор€доченные жгуты были изготовлены многими ведущими оптическими фирмами и
внедрены в технику и медицину. Ќо у них имелс€ существенный недостаток, который
делал их с самого начала не применимыми дл€ передачи сообщений. »х пропускна€
способность была слишком мала дл€ применени€ в р€де технических областей. ѕростой
расчет указывает на это. ќбычное оптическое стекло обладает ослаблением света
приблизительно от 3 до 5 дЅ/м (при измерении в соответствующем диапазоне волн).
ќтношение мощностей измер€етс€ в технике св€зи в децибелах (дЅ).
 оэффициент ослаблени€ в децибелах равен . ќслабление светового
сигнала в 20 дЅ означает уменьшение световой мощности в 100 раз, ослабление в 3 дЅ Ч
уменьшение мощности вдвое.
—реди отобранных дл€ технических целей стекол можно найти образцы с
несколько лучшими значени€м ослаблени€ (от 0,4 до 0,8 дЅ/м), а дл€ кварцевых стекол
можно достигнуть 0,2 Ц 0,3 дЅ/м. Ќо даже при использовании кварцевых стекол на
каждых 100 м длины световода подведенна€ светова€ мощность падает на 30 дЅ, т. е. в
100 Ц 1000 раз. ќсновна€ часть света поглотилась бы световодом, превратилась бы в
теплоту или была рассе€на через боковую поверхность световода.
’от€ ослабление в медных проводниках не многим меньше, они перекрывают
рассто€ни€ (в зависимости от конструкции и вида передаваемой информации) в
несколько километров, пока сигнал не ослабнет настолько, что окажетс€ необходимым
включить промежуточный усилитель (повторитель), который усиливает сигнал и заново
подает его в кабель. ћного таких усилителей располагают, как правило, между
устройствами двух телефонных абонентов, однако в оптической линии св€зи рассто€ние
между двум€ соседними усилител€ми, называемое также длиной усилительного участка,
составл€ет менее 1 км, а дл€ указанных выше значений ослабление достигает 100 м. —
технико-экономической точки зрени€ така€ лини€ передачи не приемлема.
ƒл€ применени€ в технике св€зи необходимо было уменьшить ослабление в
световоде. ѕри этом можно было бы удовлетворитьс€ значением 30 дЅ/км вместо 500 дл€
имеющихс€ оптических стекол. Ётого было бы достаточно дл€ перекрыти€ рассто€ни€ в 1
км. —пециалисты в области производства стекла еще в середине 60-х годов считали такое
требование абсолютной утопией и указывали на высокий уровень технологии оптических
стекол, который едва ли можно было улучшить. –азработки начались с дорогосто€щих и
продолжительных работ над световодами со стекл€нными и газовыми линзами.
  счастью, как это уже неоднократно бывало в истории техники, оптимисты оп€ть
не поверили оценкам экспертов. ќни начали работать над улучшением "неулучшаемых"
оптических стекол.
¬ 1970 г. в результате достижени€ высокой чистоты исходного материала аме-
риканской фирме Corning Glass удалось выплавить стекло с ослаблением около 30 дЅ/км.
ƒл€ этой цели необходимо было снизить относительное содержание металлических
компонентов в исходном материале стекла до и менее.
ƒвадцать лет назад возникновение полупроводниковой техники поставило
технологию материалов перед совершенно новыми проблемами, то же произошло и при
разработке технологии получени€ стекла.
— этого момента все другие решени€ были забыты. ÷елью стал максимально
прозрачный световод. ƒостигнутые в лаборатории, а вскоре и в опытном производстве
значени€ ослаблени€ заметно снизились, и п€тью годами позже были получены образцы
с ослаблением 5 дЅ/км, т. е. гораздо меньше, чем наде€лись. ќткрылись новые пути: в
определенны област€х длин волн ослабление измер€лось значени€ми, гораздо меньшими
1 дЅ/км; длины усилительных участков, о которых в области электрической кабельной
св€зи приходилось только мечтать, в системах оптической св€зи стали предметом
обсуждени€.
¬ таблице приведены ослабление и глубина проникновени€ (потери мощности 50
% ) дл€ различных светопрозрачных сред.
—реда
ќслабление, дЅ/км
√лубина проникновени€
при ослаблении 30 дЅ, м
ќконное стекло
ќптическое стекло
√устой туман
јтмосфера над городом
—ветоводы серийного производства
ќпытные лабораторные световоды
50 000
3 000
500
10
3
0,3
0,65
10
60
3 300
10 000
100 000
¬ середине 70-х годов работы по передаче сигналов по волоконно-оптическим
лини€м приобрели широкий размах. “ехника оптической св€зи родилась во второй раз Ц
и теперь окончательно.
√лава п€та€
—¬≈“ќ¬ќƒ Ч ѕќ—–≈ƒЌ»  ћ≈∆ƒ” ѕ≈–≈ƒј“„» ќћ
» ѕ–»≈ћЌ» ќћ
5.1 ќ—ЋјЅЋ≈Ќ»≈ ќ«Ќј„ј≈“ ѕќ“≈–ё —¬≈“ќ¬ќ… ЁЌ≈–√»»
”меньшение потерь света €вл€лось ключевой первоочередной проблемой техники
оптической св€зи. ƒва фактора €вл€ютс€ основными причинами этих потерь: поглощение
света и рассе€ние света.
”же при обсуждении лазерного эффекта мы столкнулись с тем, что атомы реа-
гируют селективно на длину волны излучени€ в зависимости от структуры оболочки и
открытого ѕланком соотношени€ между энергией и частотой. “аким образом, следует
ожидать, что и Ђпрозрачныйї исходный материал нашего световода, прежде всего
лишенный примесей, прозрачен и не имеет значительных потерь только в определенном
диапазоне частот. Ќа других длинах волн возникает €вление резонанса, при этом светова€
энерги€ поглощаетс€ и превращаетс€ в теплоту.
‘актически чистое кварцевое стекло , которое предпочтительно в качестве
исходного материала дл€ световода, обнаруживает такие резонансы в области длин волн
10 Ц 20 мкм. Ёта область лежит за пределами области длин волн, используемых сегодн€ в
технике св€зи. ¬ спектральной области, в которой излучают современные лазеры и
светоизлучающие диоды, максимальное значение ослаблени€ в мало, но дл€ длин
волн свыше 1,6 мкм его действие ощутимо и возрастает с увеличением длины волны.
  сожалению, требуема€ чистота кварцевого стекла практически едва достижима.
 ак правило, светопровод€щий материал более или менее загр€знен. ѕри этом прежде
всего следует назвать ионы металлов (железа, хрома, кобальта, меди). »х долю в
необходимо уменьшить до значений , на столько подавл€€ максимумы
поглощени€ энергии этими примесными материалами, чтобы достигнуть коэффициента
ослаблени€ около 1 дЅ/км и менее. »сключительно важна также роль ионов ќЌ. »х
главный резонанс имеет длину волны около 2,7 мкм и со своими гармониками (второй,
третьей и т. д.) €вл€етс€ причиной более или менее значительных максимумов
ослаблени€ на длинах волн 1,35, 0,95 и 0,75 мкм. ј эти значени€ довольно близки к
длинам волн современных лазеров на GaAs и светоизлучающих диодов и поэтому с точки
зрени€ св€зи представл€ют большой интерес. ¬ св€зи с этим "обезвоженность" стекла
чрезвычайно важна.
¬торым существенным фактором вли€ни€ на потери в световоде €вл€етс€ рас-
се€ние света. ќно возникает из-за неравномерностей, которые образуютс€ прежде всего в
течение охлаждени€ в процессе плавки стекла. »х количественна€ дол€ в общем
ослаблении различна дл€ стекла и газа и зависит от технологии и от примен€емого
исходного материала. ¬о вс€ком случае типичным €вл€етс€ сильный спад мощности с
увеличением длины волны, а именно на четверть значени€. »так, чтобы получить
меньшие значени€ потерь на рассе€ние, целесообразно примен€ть возможно большие
длины волн.
5.2 –ј«Ќ»÷ј ¬ќ ¬–≈ћ≈Ќ» ѕ–ќЅ≈√ј ќ√–јЌ»„»¬ј≈“
ѕ–ќѕ”— Ќ”ё —ѕќ—ќЅЌќ—“№ Ћ»Ќ»» —¬я«»
”пом€нутые в І 4.1 оптимистичные прогнозы об огромной пропускной спо-
собности оптических кабелей, св€зи исход€т из соображени€, что ширина полосы
передаваемого сигнала всегда должна быть несколько меньше, чем сама несуща€ частота.
ѕропускна€ способность стекл€нного волокна не безгранична.
„тобы передать телефонный разговор как последовательность импульсов, не-
обходимо передать большое число (конкретно 64 000) двоичных знаков в секунду (64 000
бит/с или 64 кбит/с). „тобы преобразовать непрерывно измен€ющийс€ ток микрофона в
двоичный сигнал, его необходимо прежде всего воспроизвести с помощью импульсов.
Ќайденные значени€ амплитуды теперь будут изображатьс€ двоичным числом и
посылатьс€ как двоичные сигналы между двум€ посылками импульсов. —о стороны
приемника следует такое же обратное преобразование. „тобы передать сигнал с более
высоким качеством, необходимо различать по меньшей мере 256 амплитудных значений
микрофонного тока. ѕоэтому требуетс€ восьмикодова€ система (8 двоичных знаков на
кодовое слово) дл€ каждого значени€ импульсной посылки. ƒл€ передачи одного
движущегос€ телевизионного изображени€ требуетс€ скорость передачи 80 млн. бит в
секунду (80 ћбит/с).
¬ качестве пропускной способности линии Ч все равно из меди или стекла Ч
принимаетс€ наибольша€ скорость передачи сигнала через эту линию, измеренна€ в
битах в секунду (бит Ч двоична€ цифра).
≈диница двоичной информации может быть приблизительно пересчитана в
соответствующую ширину полосы частот, как обычно делаетс€ в аналоговой передающей
технике дл€ обозначени€ характеристики сигналов или кабелей. “ак как дл€ передачи
информации со скоростью 2 бит/с теоретически требуетс€ ширина полосы по крайней
мере 1 √ц (практически около 1,6 √ц), можно приблизительно определить скорость
передачи сигнала или пропускную способность в битах в секунду и соответствующую ей
ширину полосы пропускани€ в герцах.
¬озьмем дл€ примера двоичный закодированный телефонный сигнал.  аждый
единичный сигнал этой последовательности (единичный импульс тока или света) должен
быть не длиннее, чем 1/64000 с, чтобы не мешать следующим сигналам. ѕропускна€
способность линии принципиально тем выше, чем короче импульсы можно по ней
передать.
“очно так же существуют границы и дл€ световода. ѕринцип его действи€ ранее
упоминалс€: свет распростран€етс€ зигзагообразно в светопровод€щем сердечнике
благодар€ полному внутреннему отражению от стенок, к внешней стороне которых
примыкает среда с малым коэффициентом преломлени€ Ч оболочка. Ёто полное
отражение св€зано с одним условием. ”гол между световым лучом и оптической осью
световода должен быть не более предельного угла полного внутреннего отражени€ .
ќн определ€етс€ отношением показателей преломлени€ в сердечнике , и в оболочке
:
ћожно было бы отдать предпочтение волокну с большим различием показателей
преломлени€, так как оно, очевидно, может восприн€ть и передать больше света от
источника с большим углом излучени€. Ёто преимущество было бы действительно
решающим, если бы требовани€ сто€ли только в возможно более высокой пропускной
способности световода.
5.3 ѕ–ќѕ”— Ќјя —ѕќ—ќЅЌќ—“№ ¬ќЋќ ќЌЌџ’ —¬≈“ќ¬ќƒќ¬
¬ одномодовых (мономодовых) и многомодовых световодах разна€ (в одно-
модовых больше из-за их толщины стержн€). ¬ызванный различной длиной пробега в
световоде временной разброс элементов выходного сигнала и как следствие рассе€ние
части энергии на выходе световода называют модовой дисперсией.   сожалению, она
€вл€етс€ не единственной причиной ограничени€ пропускной способности. Ќеобходимо
еще добавить так называемую материальную дисперсию. ќна состоит в том, что
показатель преломлени€ стержн€ световода зависит от длины волны.
ƒлинноволновые красные лучи отклон€ютс€ меньше, чем коротковолновые синие. Ётот
эффект не имел бы значени€ дл€ техники световой св€зи, если бы примен€емые
источники излучали свет только одной длины волны.   сожалению, этого не бывает.
’от€ ширина спектра полупроводникового лазера относительно узка, он излучает свет в
некотором интервале длин волн шириной несколько нанометров. —ветоизлучающий диод
в этом отношении значительно превосходит его Ч приблизительно на 30 Ч 40 нм.
ќграничение этой полосы невозможно без потери энергии. »менно эти различные
спектральные составл€ющие излучени€ проход€т через световод с различной скоростью
, что, конечно, приводит к уширению импульса и ограничивает пропускную
способность световода.
¬ волокне со ступенчатым профилем показател€ преломлени€ преобладает
модова€ дисперси€ вследствие большой разницы времен пробега между осевым и
граничными лучами. ¬ градиентном световоде с оптимальным профилем показател€
преломлени€ обе дисперсии станов€тс€ приблизительно одинаковыми. Ќапротив, в
мономодовом волокне модова€ дисперси€ не имеет значени€ и только материальна€
дисперси€ определ€ет характеристику передачи.
» третий фактор, вли€ющий на качество передачи Ч волноводна€ дисперси€. ќна
возникает только в мономодовых световодах, а именно потому, что единственна€
способна€ к распространению мода имеет скорость распространени€, завис€щую от
длины волны.
јнализ причин и вли€ни€ материальной дисперсии на характеристики передачи
позволили сделать выводы, которые представл€ют исключительный интерес дл€
практики и оказывают решающее вли€ние на дальнейшее развитие световодной техники.
ѕрежде всего вы€снилось, что уширение импульса, вызванное материальной дисперсией,
в значительной степени определ€етс€ микроструктурой зависимости показател€
преломлени€ данного светопровод€щего материала от длины волны. ≈сли на графике
такой зависимости имеетс€ участок, на котором крива€ стремитс€ к нулю, то на этой
длине волны можно ожидать минимального уширени€ импульса и пренебречь вли€нием
материальной дисперсии.
ƒействительно, на кривых профил€ показател€ преломлени€ можно найти такую
точку, например, дл€ кварцевого стекла при . Ёто означает, что если среди
узкополосных источников света имеютс€ такие, дл€ которых материальна€ дисперси€
равна нулю, то соответственно пропускна€ способность принимает максимальное
значение.
»сход€ из значений материальной дисперсии можно рассчитать дл€ различных
длин волн уширение импульса и из этого затем скорость передачи дл€ лазера
(спектральна€ ширина около 2 нм) и дл€ светоизлучающего диода (спектральна€ ширина
около 40 нм). ƒаже дл€ светоизлучающего диода в этой области длин волн можно
ожидать скорости передачи свыше 1 √бит/с на 1 км. ƒл€ лазеров экспериментально было
получено значение 1,4 √бит/с на 1 км! ѕон€тно, что эта область длин волн нулевой
дисперсии световода представл€ет большой интерес.
“олько что названные характеристики передачи реальны и указывают на тех-
нические возможности, которые, имеютс€ в простых многомодовых световодах и сегодн€
еще не исчерпаны. Ќельз€ забывать, однако, что столь высоких значений скорости
передачи можно достигнуть только путем обеспечени€ оптимальных параметров
светоизлучающего диода дл€ определенной длины волны, которые дл€ других длин волн
создают худшие услови€ передачи.  роме того, требуетс€ соблюдение очень малых,
допусков при изготовлении световода дл€ обеспечени€ требуемого профил€ показател€
преломлени€, что несомненно удорожает световод.
»нтересны и важны также изложенные выше соображени€ о том, что в любом
случае не может быть создан световод с максимальной пропускной способностью. ƒл€
большинства областей пропускна€ способность применени€ световода достаточна. ѕри
этом оказываетс€ возможным применить более простые электрические соединители и
получить больший  ѕƒ при соединении и т. д.
5.4 ќѕ“»„≈— »≈  јЅ≈Ћ», »’  ќЌ—“–” ÷»» » —¬ќ…—“¬ј
ќдиночна€ двухпроводна€ цепь, одиночна€ коаксиальна€ пара €вл€ютс€ в
электрической технике св€зи редким €влением.  ак правило, электрический кабель
состоит из нескольких пар. ќбща€ брон€ защищает их от окружающего вли€ни€ раз-
личного рода Ч повреждени€ грызунами, влажности и механических воздействий.
—ветовод, так же как и электрический проводник, помимо применени€ в качестве
одиночного проводника света включаетс€ в состав оптического кабел€, и к нему
предъ€вл€ютс€ требовани€, аналогичные требовани€м, предъ€вл€емым к электрическим
кабел€м.
ќднако электрические проводники и световоды настолько сильно различаютс€,
что было бы удивительно, если бы электрические и оптические кабели не отличались
между собой по конструкции, способам монтажа, прокладки и эксплуатации. ¬месте с
тем имеетс€ многолетний опыт механической защиты тонких проводников (медные
провода толщиной в дес€тые доли миллиметра используютс€ достаточно широко),
который может быть использован дл€ защиты чувствительных стекл€нных волокон.
 огда речь идет о различии между световодами и медными проводниками, не-
обходимо назвать основное свойство, которое до сих пор вообще еще не называлось:
абсолютна€ нечувствительность световода по отношению к помехам от электрического и
магнитного полей. «десь можно было бы сказать, что экранирование электрических
кабелей дл€ защиты их от внешних электромагнитных помех абсолютно излишне в
оптических кабел€х.
ќсновную роль играет, конечно, сам материал Ч стекло, которое выступает
теперь в качестве заменител€ ценного цветного металла Ч меди. Ётот материал-
заменитель обусловливает большой экономический выигрыш. «апасы меди в мире
посто€нно истощаютс€, а цены растут. ѕо некоторым прогнозам еще на исходе столети€
месторождени€ на суше, известные сегодн€, будут исчерпаны. ќсновной материал дл€
стекл€нных оптических волокон Ч кварцевый песок Ч имеетс€ в больших количествах.
¬ технике св€зи несколько килограммов меди могут быть заменены 1 г стекла высокой
очистки, если за основу прин€ть одинаковую пропускную способность кабел€.
»з этого соотношени€ следует еще одно преимущество: оптические кабели легче
электрических. Ёто особенно заметно в кабел€х с высокой пропускной способностью Ч
из-за малого диаметра световода. ясно, что оба эти свойства €вл€ютс€,
непосредственным преимуществом во многих област€х применени€.
Ќаконец, необходимо указать на фактор гальванической разв€зки передатчика и
приемника. ¬ оптической системе они электрически полностью изолированы друг от
друга, и многие проблемы, св€занные с заземлением и сн€тием потенциалов, которые до
сих пор возникали при соединении электрических кабелей, тер€ют силу.
Ќар€ду с этими полезными параметрами необходимо конечно, назвать другие, по
которым оптические волокна уступают меди и которые должен учитывать конструктор
кабелей.
Ёто прежде всего чувствительность незащищенного волокна к вод€ному пару.
Ёто критическое свойство было очень скоро обнаружено, но было также обнаружено и
противодействие ему: непосредственное покрытие световода защитной пленкой
толщиной несколько микронметров непосредственно в процессе выт€гивани€ волокна.
Ёта защитна€ оболочка, в основном состо€ща€ из полимера, полностью защищает
световод. ќна повышает также механическую прочность световода и его упругость.
 роме того, обеспечиваетс€ посто€нство параметров при неблагопри€тных окружающих
услови€х; без защитной оболочки они снижаютс€ уже через несколько часов или дней.
ћеханический предел прочности при разрыве дл€ волокна довольно высок и со-
ответствует прочности стали. ќднако стекло хрупко, изгибы с малым радиусом волокно
не выдерживает и ломаетс€. Ќо и этот недостаток относителен: стекловолокно,
снабженное упом€нутым тонким защитным слоем, вполне можно обмотать вокруг
пальца, а некоторые сорта Ц даже вокруг тонкого карандаша. ”читыва€ это типичное
свойство стекла, необходимо, конечно, принимать меры защиты в тех случа€х, когда
несколько световодов объедин€ютс€ в одном кабеле, который в дальнейшем будет
изгибатьс€ и скручиватьс€. Ёто случаетс€ при намотке на барабан и при укладке.
 онструкци€ кабел€ должна быть такой, чтобы устранить механические перегрузки
световода. Ќо опасны не только разрушение волокна, но и микроизгибы. ќни возникают,
когда светопровод€щие волокна лежат на шероховатой поверхности в услови€х
приложени€ раст€гивающей силы, и могут вызывать дополнительные световые потери.
Ёто €вление можно наблюдать в демонстрационном опыте, когда к светопровод€щему
волокну, туго, виток к витку намотанному на барабан, подводитс€ видимый свет,
например от HeЧNe лазера. ¬есь барабан при этом излучает €ркий красный свет, что
указывает на световые потери, вызванные микроизгибами.
„тобы уменьшить механические нагрузки на волокна, был опробован р€д решений.
ќтдельные проводники свободно укладываютс€ в поперечном сечении кабел€; в процессе
изготовлени€ кабел€ след€т за тем, чтобы волокна были несколько длиннее, чем кабель.
Ќа рисунке показана повивно-концентрическа€ конструкци€, она примен€етс€ очень
часто. ѕри этом световоды лежат свободно в тонких гибких трубках или на них
накладываетс€ пориста€ изол€ци€.
ѕри колебани€х окружающей температуры от конструкции кабел€ существенно
завис€т механические силы, которые действуют на световод. ≈динственным слабым
местом, кажетс€, €вл€етс€ оболочка волокон со ступенчатым показателем преломлени€.
≈е показатель преломлени€, который лишь ненамного меньше показател€ преломлени€
сердечника, может в неблагопри€тных случа€х увеличитьс€ при низких температурах,
чем будут нарушены услови€ полного внутреннего отражени€ и соответственно по€в€тс€
дополнительные потери на излучение.
√лава шеста€
»—“ќ„Ќ» » —¬≈“ј Ч —¬≈“ќ»«Ћ”„јёў»… ƒ»ќƒ » Ћј«≈–
6.1 „“ќ ќ«Ќј„ј≈“ »ћѕ”Ћ№—Ќџ… –≈∆»ћ?
»звестным примером устройства, работающего в импульсном режиме, €вл€етс€
радиолокационна€ станци€. –адиолокационный передатчик посылает через антенну
очень короткий высокочастотный импульс. »мпульс пробегает пространство со
скоростью света, частично отражаетс€ от металлического объекта и через определенное
врем€ возвращаетс€ в радиолокационную станцию. ћежду тем радиолокационна€
станци€ переключаетс€ на прием и, получив отраженный импульсный сигнал, вычисл€ет
дальность до объекта, исход€ из разницы времени между передачей и приемом импульса.
ѕроцесс периодически повтор€етс€, но с относительно большими интервалами, так что в
большинстве случаев говор€т об одном импульсном сигнале. ƒаже когда
радиолокационна€ установка посылает 1000 имп/с, интервал между импульсами (1 мс)
намного превышает длительность импульса, котора€ обычно короче 1 мкс.
“от же принцип примен€етс€ в оптической технике св€зи, а именно дл€ важного
случа€ поиска места повреждени€ световодного кабел€. ќптический локационный
импульс посылаетс€ в испытуемый кабель, а в качестве индикатора повреждени€ ис-
пользуетс€ отраженный свет. ќтражени€ по€вл€ютс€ при этом от всех неоднородностей
cветовода, особенно там, где световод разрушен. »з разности времен пробега,
измеренной на осциллографе, можно вычислить место повреждени€ кабел€ с точностью
до 1 м.
ѕримером передачи непрерывного сигнала €вл€етс€ передача по световоду
непрерывного телефонного или видео сигнала. »з непрерывного электрического сигнала
при этом получаетс€ такой же непрерывный световой сигнал, который колеблетс€ между
значени€ми минимальной и максимальной световой мощности .
Ёлектрический ток за счет полупроводникового лазера или светоизлучающего диода
образует выходную мощность –. ѕри этом электрический сигнал может быть
бипол€рным, т. е. может принимать положительные и отрицательные значени€
(например, речевой сигнал или любое другое переменное напр€жение), или
однопол€рным (телевизионный сигнал, выходной сигнал кодового модул€тора). Ќо
световой сигнал в обоих случа€х однопол€рный (отрицательна€ светова€ мощность
невозможна).
—вет лазера и светоизлучающего диода окажетс€ таким образом промодули-
рованным по интенсивности сигналом, воздействующим на ток диода. —ущественным
различием между этой непрерывной работой светового источника и импульсным
режимом €вл€ртс€ то, что при импульсной работе средн€€ светова€ мощность очень мала
по сравнению с пиковой мощностью . ѕри непрерывной работе (или "в режиме
непрерывного излучени€") средн€€ светова€ мощность составл€ет примерно половину
пиковой мощности, т. е. она того же пор€дка, что и максимальна€ мощность.
«десь необходимо указать на следующее: бинарный сигнал (например, выходной
сигнал импульсно-кодового модул€тора согласно) едва ли можно назвать импульсной
последовательностью с точки зрени€ обработки сигнала; наоборот, относительно
модул€ции передатчика его нужно рассматривать как сигнал непрерывного излучени€.
≈го средн€€ светова€ мощность равна точно /2, так как обычно длина и веро€тность
по€влени€ сигналов 0 и 1 одинаковы.
¬ световодной технике св€зи двоичный сигнал играет исключительную роль,
потому что как светоизлучающие диоды, так и лазеры имеют более или менее нели-
нейную зависимость мощности от тока. ƒвоичные сигналы к этому нечувствительны, а
непрерывные искажаютс€ из-за нелинейности.
“аким образом, нужно следить за тем, чтобы, как правило, передача сообщении
(непрерывными и даже двоичными сигналами) шла только с помощью световых
передатчиков, которые пригодны и дл€ непрерывного режима работы.
6.2 “»ѕ »—“ќ„Ќ» ј ќѕ–≈ƒ≈Ћя≈“ ћќўЌќ—“№
ѕервые полупроводниковые лазеры не могли работать в непрерывном режиме, во
вс€ком случае при комнатной температуре. ѕричиной этого были большие потери
мощности.
Ћазерный эффект начинаетс€ сразу, как только индуцируема€ светова€ мощность
станет больше, чем потери на световом пути в объемном резонаторе. Ќеобходима€ дл€
этого плотность тока возбуждени€ в активном элементе лазера, называема€ порогом
генерации лазера, ниже порогового тока: лазер еще не генерирует стимулированного
излучени€. Ёта порогова€ плотность тока зависит от внутренней структуры
полупроводникового лазера в окрестности р-n перехода, особенно от примен€емых
материалов и концентрации примесей.
¬ первой и самой простой конструкции, так называемом гомолазере, реком-
бинаци€ носителей зар€да и генераци€ света происходили в довольно широкой области
вокруг р-n перехода. ѕоэтому потери на ослабление в объемном резонаторе были очень
велики. ƒл€ превышени€ порога генерации должны были протекать значительные токи,
которые приводили к сильному нагреву лазерного диода. “акие диоды можно было
использовать в лазерах только в импульсном режиме. —ущественное уменьшение
пороговой плотности тока и потерь мощности было получено в результате введени€
простой и двойной гетероструктур. — этой целью р-n переход имеет с одной или двух
сторон дополнительные слои, в силу чего благодар€ свойствам их материала и примес€м
толщина электрически и оптически активной зоны лазерного диода сильно сужаетс€.
Ётим ограничивают электрический диапазон возбуждени€ и одновременно
рекомбинацию носителей зар€да и генерацию света.  роме того, путем изменени€
показател€ преломлени€ в области р-n перехода достигаетс€ определенный ход лучей
света и в результате этого Ч уменьшение оптических потерь.
— помощью описанной технологии удалось сконструировать лазеры, которые по-
зволили получить импульсный режим при комнатной температуре.
»спользу€ импульсные токи 40 ј, можно при комнатной температуре достигнуть
импульсной световой мощности 10 ¬т, правда, в предположении хорошего теплоотвода,
частоты, большей или равной 10 к√ц, и ширины импульса, меньшей или равной 200 нс
(коэффициент заполнени€ 1:500!); р-n переход с одной стороны имеет дополнительный
слой GaAlAs.
6.3 ѕ–ќЅЋ≈ћј ¬џ¬ќƒј —¬≈“ќ¬ќ… ЁЌ≈–√»»
ѕростые и двойные гетероструктуры, аналогичные описанным выше, но без
объемного резонатора с двум€ зеркалами, типичного дл€ лазера, примен€ютс€ дл€
конструировани€ светоизлучающих диодов. ѕри этом индуцируемое в результате ре-
комбинации носителей зар€дов световое излучение распростран€етс€ во всех на-
правлени€х и задерживаетс€ в элементе только вследствие различных коэффициентов
пропускани€ слоев или из-за неизбежных контактных поверхностей электродов и
поверхностей охлаждени€.
¬ простейшем случае здесь можно использовать и выводить излучение, рас-
простран€ющеес€ в плоскости активной зоны. ѕодобные диоды называютс€ краевыми
излучател€ми. ≈сли устроить в электроде окно, то можно направить излучение
перпендикул€рно плоскости активной зоны и получить поверхностный излучатель.
ƒл€ лазеров св€зь со световодами обычно сложна, хот€ и проще, чем дл€ све-
тоизлучающих диодов. ћалые размеры поперечного сечени€ светового отверсти€
вызывают там сильную дифракцию выход€щего света.
6.4 —–ќ  —Ћ”∆Ѕџ »—“ќ„Ќ» ќ¬ —¬≈“ј
ќдним из основных параметров оптических элементов передатчика €вл€етс€ срок
службы. ќн ограничиваетс€ тем, что после определенного времени работы выходна€
светова€ мощность падает и в дальнейшем не выдерживаетс€ ее гарантированное дл€
указанного времени значение даже за счет повышени€ тока в диоде.
≈сли оптический передатчик, например на узле св€зи, должен проработать без
замены элементов 10 лет, то дл€ него должен быть гарантирован срок службы около
100000 ч (счита€ продолжительность года равной приблизительно 10000 ч). ƒл€ све-
тоизлучающих диодов на GaAs такой срок службы близок к действительному. ’от€ дл€
них редко называют гарантийные сроки службы, но обычны значени€ в несколько лет.  
сожалению, дл€, лазерных диодов подобные сроки службы не достигнуты. “олько в 1970
г. в лаборатории по€вилс€ первый работоспособный лазер, работающий в непрерывном
режиме при комнатной температуре, и только в течение 70-х годов были разработаны
различные структуры и геометрии, приемлемые дл€ конструировани€ и изготовлени€
лазеров непрерывного излучени€, работающих при комнатной температуре.
ѕон€тно, что достоверных данных о сроке службы можно ожидать только после
длительных испытаний большого числа готовых элементов. „тобы уже сегодн€ получить
какие-то суждени€, примен€ют меры к сокращению времени измерений. ѕри этом
лазерные диоды заставл€ют работать в жестких услови€х (как правило, при очень
высоких температурах, ). Ќа основании этого суд€т об ожидаемом сроке
службы в нормальных услови€х. ѕри этих предположени€х в конце 70-х годов многими
изготовител€ми предсказывались ожидаемые сроки службы дл€ лазеров 100000 ч, а в
отдельных случа€х Ч свыше 1 млн. ч. » хот€ эти цифры сегодн€ еще не проверены, все
же существует гаранти€ наименьшего срока службы 10000 ч, и этим данным можно
довер€ть.
ѕроблема срока службы лазеров сегодн€ еще не решена, но существуют опти-
мистические прогнозы.
¬еро€тно, через несколько лет можно будет отказатьс€ от привычной в насто€щее
врем€ оптической отрицательной обратной св€зи. ќна примен€етс€ дл€ того, чтобы
скомпенсировать возникающее старение, вли€ние напр€жени€ и температуры на
отдаваемую лазером и светоизлучающим диодом световую мощность.
6.5 Ћј«≈– »Ћ» —¬≈“ќ»«Ћ”„јёў»… ƒ»ќƒ?
¬ качестве источников света лазер и светоизлучающий диод сто€т р€дом. Ќи дл€
одного из них нельз€ назвать решающего преимущества: какой из них лучше, в каждом
отдельном случае зависит от области применени€.
—ущественным фактором, конечно, €вл€етс€ цена. ƒл€ обоих типов источников с
годами она будет, естественно падать, но все же светоизлучающий диод в этом
отношении имеет преимущество: он дешевле лазера со сравнимыми параметрами при
высококачественной работе, столь необходимой дл€ техники св€зи. ѕоэтому дл€ систем
местной св€зи, которые требуют относительно малых скоростей передачи (до 2 ћбит/с и
ниже), будут всегда примен€тьс€ светоизлучающие диоды и в основном совместно со
световодами с относительно большой апертурой (например, с кварцевыми волокнами в
пластмассовой оболочке). “аким образом можно ввести в волокно существенно большую
часть излучаемого света.
“ипичные параметры полупроводниковых источников света.
ѕараметр
—ветоизлучающий
диод типа
Ѕрусса
 раевой
излучатель
Ћазер
(полоскова€
геометри€)
¬водима€ в световод мощность,
мк¬т:
сердечник 50 мкм;
числова€ апертура 0,2
сердечник 200 мкм;
числова€ апертура 0,3
¬рем€ нарастани€ импульса, нс
Ўирина спектра, нс
1-10
20-200
10-50
40
200-100
100-500
3-10
40
500-2000
2000-5000
0,3-1
20
¬торой важный параметр светопередатчика: ширина полосы модул€ции. —вето-
излучающие диоды прежде всего "медлительнее" лазеров. ¬ зависимости от конструкции
имеющиес€ сегодн€ в распор€жении типы, как правило, могут быть модулированы
частотами 30 Ч 50 ћгц. ≈сли же необходимо передать быстрые двоичные сигналы со
скоростью свыше 30 ћбит/с, то почти всегда примен€етс€ лазер ввиду его большой
световой мощности. ƒл€ него граница модул€ции лежит в пределах нескольких сотен
мегагерц, а иногда выше 1 √√ц. ’от€ светоизлучающий диод еще не достиг границ своих
возможностей (в насто€щее врем€ уже имеютс€ отдельные типы диодов, модулируемых
со скоростью 150 ћбит/с; по прогнозам до 1 √бит/с), все же лазер имеет преимущество в
виде более высокой выходной мощности (см. табл.).
Ќаконец, необходимо прин€ть во внимание, что ширина передаваемой полосы
частот ограничиваетс€ не только быстродействием самого излучающего диода. «десь
важным фактором €вл€ютс€ также дисперсионные свойства световода. ѕомимо этого
необходимо обратить внимание еще на одно свойство излучающего диода: больша€
ширина спектра излучени€ светоизлучающего диода в сочетании со световодом может
привести к ограничению ширины передаваемой полосы частот. Ёто свойство может
играть существенную роль, когда речь идет о том, чтобы максимально использовать
высокую пропускную способность световодов, а уширение импульса из-за дисперсии
материала допускать в минимальных пределах.
√лава седьма€
—¬≈“ќ¬ќ… —»√ЌјЋ Ќј ѕ–»≈ћЌќћ  ќЌ÷≈ Ћ»Ќ»»
7.1 Ќ≈ќЅ’ќƒ»ћќ—“№ ѕ–≈ќЅ–ј«ќ¬јЌ»я —¬≈“ј ¬ ЁЋ≈ “–»„≈— »… “ќ 
Ќа конце линии необходимо восстановить первоначальную информацию
(передаваемый речевой сигнал или телевизионное изображение).
≈сли бы человечество не обращались к технике электрической св€зи и с самого
начала проектировало и вводило в действие оптическую систему передачи, то сейчас,
наверное, у нас была бы хорошо развита€ техника, котора€ непосредственно преоб-
разовывала бы световые сигналы в акустические или изображени€. ¬озможно, через
несколько лет подобные решени€ будут осуществлены. Ќа сегодн€шний день решени€
этой проблемы нет. ¬се существующие способы преобразовани€ сигналов выполн€ютс€
на основе электрических сигналов. “елевизионное изображение создаетс€ путем
управлени€ электронными лучами в кинескопе с помощью электрических сигналов,
акустический сигнал в телефонных трубках образуетс€ за счет электрического тока.
Ќа магистральных лини€х было бы хорошо использовать усилитель света.  
сожалению, такого у нас пока не имеетс€. ѕринцип усилени€ света (прежде всего это
принцип лазера: вынужденное излучение при возбуждении) известен, но еще не готов к
техническому воплощению.
“аким образом, и в промежуточном усилителе остаетс€ задача преобразовани€ и
регенерации электрического сигнала (усиление или восстановление нужной формы
импульса при двойных бинарных сигналах). Ётот восстановленный электрический сигнал
вторично используют дл€ управлени€ лазером или светоизлучающим диодом, который
теперь излучает усиленный световой сигнал.
7.2 ‘ќ“ќƒ»ќƒџ »—ѕќЋ№«”ё“ ¬Ќ”“–≈ЌЌ»… ‘ќ“ќЁ‘‘≈ “
¬ оптических системах св€зи, в которых на выходе каждого отдельного световода
должен быть установлен чувствительный фотоприемник, ввод€тс€ два прибора которые
могут, быть выполнены методом микроэлектронной технологии. –ечь идет о p-i-n
фотодиоде и лавинном фотодиоде. ќба используют внутренний фотоэффект, который
про€вл€етс€ в этом специальном случае непосредственно в окрестност€х р-n перехода.
7.3 Ў”ћ Ч —»Ћ№Ќ≈…Ў»… ¬–ј√ “≈’Ќ» » —¬я«»
ѕон€тие, которое имеет решающее значение дл€ функционировани€ каждой
системы св€зи, Ч помехи.
Ќасколько не одинаковы неисправности системы из-за потерь в сети питани€ или
отказов каких-либо элементов, встречающиес€ в каждом приборе или устройстве,
настолько же не одинаковы помехи, вызванные электромагнитными пол€ми. Ёто пол€,
создаваемые плохо экранированными электродвигател€ми, радиоизлучени€ми
автомобилей, часто вызывающими сильные помехи в радио или телевизионной
аппаратуре, и т. ц.
¬ услови€х отсутстви€ шумов разработчик мог бы безгранично увеличивать длину
усилительного участка. “ребуетс€ только соответственно увеличивать мощность сигнала,
поступающего на вход приемника. Ќо шум существует и уменьшает чувствительность
каждого приемника и возможности каждого усилител€. ≈сли мощность полезного
сигнала на входе меньше мощности помех, то сигнал перекрываетс€ ею и не может быть
выделен приемным устройством или усилен. ƒаже когда сигнал и помехи имеют почти
одинаковую мощность, шум становитс€ довольно значительным. ѕричины и источники
шумна разнообразны.   ним относ€тс€ корпускул€рные шумы электрического тока
(дробовой шум), температурные шумовые процессы, шумы квантовани€ световых пучков.
»сточник света сам вносит в систему шумовые составл€ющие, добавл€ют их также
фотодиод и оконечный электронный усилитель. ≈сли используетс€ лавинный фотодиод,
то возникают дополнительные шумовые составл€ющие из-за эффекта умножени€ в этом
элементе.
≈сли рассмотреть электрический сигнал на выходе фотоприемника, то можно
установить, что различные шумовые источники про€вл€ют себ€ в нем тем или иным
способом. ¬место чистой формы сигнала, которой модулировалась выходна€ мощность
светового сигнала передатчика, на вход приемника поступает сигнал, амплитуда
которого случайным образом более или менее мен€етс€ вблизи данного значени€.
—редние значени€ соответствуют истинной форме переданного сигнала, но мгновенные
значени€ отклон€ютс€ от заданного вследствие вли€ни€ помех. ѕервоначальный сигнал
можно лишь приблизительно выделить из суммы полезного и мешающего сигналов.
7.4  ј ќ… ƒЋ»Ќџ ћќ∆≈“ Ѕџ“№ ќѕ“»„≈— јя Ћ»Ќ»я ѕ≈–≈ƒј„»?
ќсновна€ задача Ч обеспечение того, чтобы посланный сигнал с достаточной дл€
соответствующей цели точно воспроизводилс€ в приемнике, т. е. разработчик будет
пытатьс€ по возможности приблизитьс€ к первоначальной (правильной) форме сигнала
путем получени€ среднего значени€ по возможно большому количеству мгновенных
значений сигнала, искаженного помехой. ƒл€ этого служат, различного рода
электрические фильтры.  онечно, дл€ усреднени€ амплитуды сигнала можно
использовать только такое количество мгновенных значений сигнала, чтобы сами
полезные изменени€ сигнала не были сглажены и не оказались из-за этого потер€нными.
“о, что остаетс€ после этой фильтрации, более не уничтожаетс€. — этим разработчик
системы должен считатьс€ и, например, выбирать длину передающей линии настолько
короткой, чтобы мощность сигнала не оказалась близкой к мощности шумового фона.
ƒл€ инженера св€зи из этой модели формировани€ среднего значени€ следует
важный вывод: качество передачи сигнала при одинаковом уровне помех тем лучше, чем
медленнее измен€етс€ сигнал (так как тем большими могут быть интервалы времени
усреднени€ и тем точнее получаемый результат) и чем меньше необходима€ дл€ данной
цели ширина полосы частот (пропускна€ способность).
»з этих рассуждений €сно, что дл€ фотоприемника имеетс€ нижн€€ граница
мощности принимаемого сигнала. Ќа этой границе мощность сигнала в определенное
число раз больше суммарной мощности шумов, которые по€вл€ютс€ в приемнике. Ётот
коэффициент обозначаетс€ как отношение сигнал/шум и выражаетс€ в децибелах. ≈сли
необходимо передать двоичные сигналы, то достаточно, например, отношени€
сигнал/шум (в электрическом сигнале), равного 18 дЅ. Ёто означает, что полезна€
мощность приблизительно в 63 раза больше, чем наложенна€ шумова€ мощность, что
позвол€ет осуществить достаточно достоверное распознавание одиночного импульса.
≈сли, напротив, необходимо передать непрерывные сигналы, которые реагируют на
помехи гораздо чувствительнее, чем двоичные, то отношение сигнал/шум должно быть
выше и в зависимости от рода сигнала и требуемого его количества должно достигать 30
Ч 60 дЅ.
ѕо крайней мере существуют два других фактора, которые, как и ослабление,
ограничивают длину усилительного участка: материальна€ дисперси€ и модова€ дис-
перси€. — увеличением длины усилительного участка они вызывают уширение по-
сланного импульса и при этом тем большее, чем выше пропускна€ способность линии.
“ак как модова€ дисперси€ зависит от конструкции световода (дл€ световода с
градиентным профилем показател€ преломлени€ она гораздо меньше, чем при сту-
пенчатом показателе), то тип примен€емого световода при заданной пропускной
способности линии, пожалуй, гораздо сильнее ограничивает дальность действи€, чем
ослабление. “аким же образом, ограничива€ длину линии световода с малой модовой
дисперсией и малым ослаблением, можно вли€ть на ширину спектра источника света
(например, использовав светоизлучающий диод).
»так, на вопрос о дальности действи€ оптической св€зи однозначного ответа
может не быть, так как имеетс€ р€д факторов, вли€ние которых необходимо учитывать
при проектировании.
√лава восьма€
ћЌќ√ќ÷≈Ћ≈¬јя јЅќЌ≈Ќ“— јя —≈“№
јбоненты Ч это не только мы сами или наши соседи, с которыми мы хотим
общатьс€ дома или на работе. Ёто все увеличивающеес€ число машин, выдающих и
принимающих информацию.
¬ сети св€зи, только распредел€ющей информацию (например, радио- или те-
левизионной), абонент расположен на большой линии коллективного пользовани€, из
которой он получает дл€ себ€ необходимую информацию. ¬ телефонной сети, котора€
передает разговоры, каждый абонент имеет до любого места (в основном до оконечной
коммутационной станции) свою собственную линию. “олько после этого несколько, а
затем множество сигналов абонентов объедин€ютс€ в пачку и передаютс€ совместно,
чтобы на конце вновь разъединитьс€ на отдельные линии, которые ведут к желаемым
собеседникам.
≈ще в середине 70-х годов существовала уверенность в том, что эта часть сети,
состо€ща€ из отдельных проводников, должна остатьс€ металлической из экономических
соображений. ¬последствии это мнение изменилось.
«десь прежде всего имеем дело с видом материала. ќколо 70% меди, расходуемой
на кабели св€зи, приходитс€ на абонентские сети, хот€ диаметры проводников выбраны
настолько малыми, насколько это возможно. ≈сли бы в будущем отрезки линий,
передающих сигналы, выполн€лись на оптических элементах, то можно было бы
сэкономить только лишь треть затрат на медь, а абонентские сети необходимо было бы
оп€ть строить в каждом квартале новостроек.
ƒальнейшим важным направлением €вл€ютс€ посто€нно растущие информа-
ционные потоки в промышленности, хоз€йстве, а также в быту.
–адио- и телевизионна€ св€зь станут в ближайшем будущем встречатьс€ в каждом
доме, и необходимость устройства абонентских вводов во многих странах превышает их
экономические возможности. “олько в учреждени€ и на заводы в ближайшие годы
придут новые службы, польза и рентабельность которых сегодн€ общепризнанны:
телекопирование, конторский телетайп, электронна€ почта, передача данных в самом
широком смысле слова, телеметри€, телеуправление и мониторное оборудование дл€
различных технических устройств. ƒл€ индивидуальных абонентов техника также
движетс€ вперед. ”же испытываютс€ известные во многих странах мира способы, с
помощью которых абонент сможет выбрать тексты, таблицы, диаграммы и воспроизвести
их на собственном экране.
јбонентские линии, которые мы сегодн€ прокладываем, должны быть подго-
товлены дл€ многих потребностей последующего дес€тилети€. Ќынешнюю систему
электрической св€зи можно использовать только в качестве речевого канала с небольшой
полосой пропускани€. “ака€ св€зь пригодна дл€ конторского телетайпа, а также дл€
передачи данных. ”же при телекопировании необходимо длительное врем€ копировани€
Ч в лучшем случае свыше одной минуты на каждую страницу формата ј„, и каждое
повышение скорости требует увеличени€ полосы пропускани€. ƒо конца 80-х годов Ч
таков прогноз британского ведомства св€зи Ч в јнглии до 50 % почты должно переда-
ватьс€ электронным образом.
Ќо окончательно необходимо будет отказатьс€ от сегодн€шнего абонентского
симметричного кабел€ с медными проводниками, если потребуетс€ хот€ бы одно-
единственное движущеес€ изображение. “огда будет необходим дорогой коаксиальный
кабель или световод.
“акой прогноз развити€ в будущем €вл€етс€ основой, которую учитывают при
создании широкополосной св€зи каждой квартиры по крайней мере с близлежащей
коммутационной станцией.  ак должна выгл€деть техника оптической св€зи будущего, в
частности упом€нута€ сеть оптической св€зи, какие и сколько различных сигналов
должно быть в этой многоцелевой абонентской сети и как они должны будут
передаватьс€, никто еще сегодн€ конкретно и окончательно сказать не может. ’от€
некоторые рабочие положени€ сформулированы. —ообразно с ними телефонна€ св€зь
(разговор и вызывной сигнал) должна осуществл€тьс€ в обоих направлени€х, а кроме
того, должен передаватьс€ и телевизионный сигнал. ¬ соответствии с этим каждый
абонент получает отдельную оптическую широкополосную линию, к которой прежде
всего подключен его телефон и затем, возможно, видеотелефон и другие
высокоскоростные устройства.
–€д вопросов при этом останетс€ открытым. ќдин из них Ч энергоснабжение
аппарата абонента. “елефон, питаемый сегодн€ через сигнальные проводники стан-
ционного источника питани€, в дальнейшем не будет иметь электрической св€зи с
коммутационной станцией. “аким образом он должен будет получать энергию от
местной силовой сети.   этой идее привыкли. ќбычно электрическа€ передающа€
техника будущего ставит те же требовани€ автономного электропитани€, правда, по
другим причинам. ѕри этом электрическа€ разв€зка (абонентов и коммутационной
станции), котора€ обусловлена применением световодной техники, окажетс€ целесо-
образной с экономической точки зрени€.
ќптическа€ абонентска€ сеть, широкополосный аппарат абонента в каждой
квартире более не €вл€ютс€ утопией.
—ѕ»—ќ  Ћ»“≈–ј“”–џ
1) √лазер ¬. "—ветоводна€ техника" ћ. Ёнегроатомиздат 1985г.
2) —авельев ». ¬. " урс общей физики" ћ. Ќаука 1978, 1982г.
28